Uma Nova Abordagem Para Inversores Multiníveis em Cascata Utilizando Células de Comutação EIE

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1 Uma Nova Abordagem Para Inversores Multiníveis em Cascata Utilizando Células de Comutação EIE Natalia M. A. Costa, Luiz C. de Freitas, João Batista V. Junior, Ernane A. A. Coelho, Valdeir J. Farias e Luiz C. G. Freitas Núcleo de Pesquisa em Eletrônica de Potência (NUPEP) Faculdade de Engenharia Elétrica (FEELT) Universidade Federal de Uberlândia (UFU) nataliamcosta@yahoo.com.br; lcgfreitas@yahoo.com.br Abstract- A novel approach for cascaded multilevel inverters is presented in this paper. The proposed topology is based on the association of DC/DC converters developed from an active commutation cell called EIE. The multilevel Buck EIE inverter provides an AC output and low voltage stress levels over the power semiconductor devices. The output voltage is totally controlled and follows a reference signal, which assures low harmonic distortion for the output voltage without the necessity of using passive filters. Detailed circuit description is given as well as simulation and experimental results, in order to confirm the operation principle of the proposed topology. I. INTRODUÇÃO No intuito de viabilizar e garantir a operação de conversores de potência em elevados níveis de tensão ou corrente, tais como em drivers eletrônicos e compensadores estáticos, pode-se recorrer à associação de conversores estáticos e de células de comutação [1]. Essas associações constituem os denominados conversores multiníveis que, segundo pesquisa bibliográfica, tiveram seu primeiro registro na literatura há mais de 30 anos, em uma proposta de associação de duas células full-bridge [2-4]. Com o passar do tempo, novas topologias foram propostas e, atualmente, podese destacar dois grandes grupos de conversores multiníveis: topologias clamped e topologias cascateadas. Dentre as topologias clamped, destacam-se as associações diodeclamped e capacitor-clamped [5-6]. As topologias clamped citadas são amplamente utilizadas devido ao número relativamente pequeno de interruptores utilizados e à ausência de fontes de alimentação independente para cada nível do conversor [7]. No entanto, para aplicações que requerem elevados níveis de corrente e/ou tensão, há uma grande limitação no uso destas topologias, uma vez que o número de componentes necessários (diodos e capacitores), bem como a tensão reversa em cada um deles e nos interruptores aumenta significativamente, diminuindo assim sua viabilidade econômica. As topologias em cascata, em seu arranjo convencional, possuem fontes de alimentação independentes para cada nível do conversor. Resumidamente, cada célula do conversor multinível em cascata é capaz de prover três níveis de tensão (0, +Vdc e Vdc) e a tensão de saída total do conversor é representada pela soma das tensões advindas de cada nível do conversor. Conversores baseados na topologia cascateada apresentam vantagens, principalmente em função de sua implementação modular e viabilidade de utilização em aplicações com elevados níveis de tensão ou corrente [8]. Cabe ressaltar que estudos apontam para uma redução de até 15% no valor do custo de implementação, quando utilizada esta topologia [9]. Diante do exposto, este artigo contribui com a apresentação de uma nova abordagem da topologia cascateada, por meio da implementação de um novo arranjo topológico denominado Inversor Multinível Buck EIE. Este arranjo possui como principal vantagem a possibilidade de ser utilizado em aplicações de elevada tensão, sem que os dispositivos interruptores sofram severos níveis de estresse de tensão. O conversor fornece uma tensão de saída senoidal, com baixa distorção harmônica, sem a necessidade de utilização de filtros passivos na saída do inversor. Uma descrição detalhada do princípio de operação e da estratégia de controle aplicada ao conversor, bem como resultados de simulação e experimentais são apresentados neste artigo. II. ESTUDO DO CONVERSOR PROPOSTO Buscando o desenvolvimento de novas topologias de conversores, uma célula de comutação ativa, utilizando-se dois interruptores, foi desenvolvida, como mostra a Figura 1(a). Devido à seu arranjo (tensão-corrente-tensão), a célula foi denominada EIE [10-11]. A partir desta célula, toda uma família de conversores CC/CC PWM foi desenvolvida, destacando-se o conversor Buck EIE, apresentado na Figura 1(b). Este se difere do conversor Buck convencional pelo uso de um interruptor adicional (S2) e um diodo extra (D2) e, sua principal vantagem está na capacidade de operação sem apresentar overshooting na tensão de saída do conversor, uma vez que a tensão no capacitor e a corrente no indutor são controladas separadamente [10]. Em função de suas características operacionais, o uso deste conversor em aplicações CC/CA tem demonstrado ser uma solução interessante e eficaz. (a)

2 (b) Fig. 1. (a) Célula de Comutação EIE (b) Conversor Buck EIE. Apoiados pela célula de comutação apresentada e esperando atingir o desenvolvimento de uma nova topologia multinível passível de ser utilizada em aplicações de baixa, média e alta tensão, uma nova abordagem acerca dos inversores multiníveis em cascata foi construída. Para tornar isto possível, a principal barreira a ser superada residia nos altos níveis de estresse de tensão sobre os dispositivos semicondutores, em especial os interruptores, encontrados nas aplicações em alta tensão. A potencial solução para este impasse estava no desenvolvimento de um arranjo topológico no qual estes níveis de tensão sobre os interruptores seriam menores. Tradicionalmente, como mostra a figura 2, um conversor em cascata tradicional é composto por inversores monofásicos associados em série e alimentados por fontes de tensão cc independentes. O capacitor de saída de cada célula contém uma energia armazenada e, a síntese dos níveis de tensão nestes capacitores de saída das células representa a tensão total de saída do conversor. Neste contexto, é apresentado neste trabalho um novo arranjo topológico de inversor multinível, derivado da associação de conversores Buck EIE, no qual cada célula do conversor é composto por um inversor Buck EIE. Entende-se por inversor Buck EIE uma associação de dois conversores Buck EIE como representado pela figura 3. O novo arranjo topológico foi desenvolvido a partir do conceito dos multiníveis em cascata convencionais. Para tanto, idealizou-se que, assim como nos conversores tradicionais, cada nível do Inversor Multinível Buck EIE fosse capaz de armazenar energia em seu capacitor de saída, e a soma das tensões armazenadas nestes capacitores representam então a tensão de saída total do conversor. Em outras palavras, cada célula do conversor contribui com uma parcela da tensão de saída total. No entanto, o conceito deste conversor multinível se difere do convencional uma vez que uma tensão alternada é imposta no capacitor de saída de cada célula do Inversor Multinível Buck EIE. Como pode observado na Figura 3, cada nível do inversor multinível proposto é composto por duas fontes de alimentação (V1 e V2) e, por apresentar uma tensão de saída totalmente controlada, o que o caracteriza como um seguidor de tensão. Isto significa dizer que a tensão de saída do conversor seguirá a forma de onda de um sinal de referência desejado. Portanto, é possível admitir uma tensão de saída senoidal para o inversor Buck EIE, desde que seu sinal de referência seja uma senoide. Admitindo-se um Inversor Multinível Buck EIE de n- níveis, cada célula do inversor apresentará uma tensão de saída senoidal imposta a seu capacitor de saída e a tensão de saída total do inversor será a soma de n tensões nos capacitores. Uma vez que a tensão de cada célula já é considerada como senoidal, a tensão de saída será tida como senoidal, sem a necessidade de utilização de filtros passivos. A figura 4 exemplifica como é sintetizada a tensão em um inversor Buck EIE de 4 níveis. Convencionalmente, o número de níveis de um inversor multinível está relacionado com o número de degraus (pulsos) na tensão de saída. No entanto, nota-se que esta definição não é aplicável à topologia proposta. Neste caso, visando manter a nomenclatura o mais próximo possível daquilo já encontrado na literatura, define-se que o número de níveis do Inversor Multinível Buck EIE será determinado pelo número de células do conversor, ou seja, pelo número de inversores Buck EIE presentes ou ainda pelo número de fontes de alimentação dividido por 2. Fig. 2. Conversor Multinível em Cascata Tradicional. Fig. 4. Inversor Multinível Buck EIE Níveis de Tensão de Saída. Fig. 3. Inversor Buck EIE Conversor Multinível Buck EIE de 1 nível. O inversor multinível Buck EIE opera com quantos níveis forem necessários para fornecer a tensão de saída requerida

3 pela carga. Quanto maior o número de níveis, maior será o custo final da aplicação, mas, por outro lado, um número maior de níveis pode fornecer uma tensão de saída maior, mantendo-se os mesmos (ou até mesmo menores) níveis de estresse de tensão sobre os interruptores do conversor. Os requisitos da aplicação definem, então, o melhor arranjo, capaz de fornecer a melhor relação de custo-benefício. É importante enfatizar que diferentemente dos inversores multiníveis convencionais, a tensão de saída do conversor proposto é sempre muito próxima a uma senóide, independentemente do número de níveis do conversor e sem a necessidade de utilização de filtros passivos na saída do conversor. Para as topologias em cascata tradicionais, quanto maior o número de níveis do conversor, maior o número de níveis (degraus) na tensão de saída, aproximando-a de um formato senoidal. Assim, podemos enfatizar que as principais vantagens deste conversor são: (1) tensão de saída totalmente controlada, (2) a possibilidade de utilizar o inversor multinível em aplicações de alta tensão, graças ao valor reduzido de estresse de tensão sobre os dispositivos semicondutores, (3) tensão de saída senoidal, independente do número de níveis do conversor, sem utilização de filtros passivos e (4) estratégia de controle simples, descrita em detalhes na seção III deste artigo. Neste artigo, é apresentado um estudo de caso, envolvendo o inversor Buck EIE de quatro níveis, alimentado por quatro fontes de alimentação independentes de 48V cada e com a capacidade de fornecer uma tensão de saída senoidal de 115V (rms) em 60Hz. O princípio de operação do conversor, bem como, estratégia de controle e resultados de simulação e experimentais são apresentados neste artigo. III. PRINCÍPIO E ESTÁGIOS E OPERAÇÃO O conversor Buck EIE apresentado na Figura 1(b), é uma topologia cuja operação pode ser descrita em dois estágios: (1) os interruptores S1 e S2 são acionados e a energia armazenada no indutor L1 é transferida para o capacitor de saída C1; (2) os interruptores S1 e S2 são desativados e a energia remanescente armazenada em L1 é agora devolvida à fonte V1 através dos diodos D1 e D2 que, neste momento, estão diretamente polarizados. A tensão de saída é totalmente controlada, sem apresentar overshoots e, utilizando-se da estratégia de controle adequada, o conversor pode operar como um seguidor de tensão, o que significa que a tensão de saída do conversor seguirá um sinal de referência desejado. O inversor Buck EIE apresentado na Figura 3 opera de forma análoga: (1) os interruptores S1, S2, S3 e S4 são acionados e a energia armazenada nos indutores L1 e L2 é transferida para os capacitores C1; (2) os interruptores S1, S2, S3 e S4 são desativados e a energia remanescente nos indutores é então devolvida às fontes de alimentação através dos diodos, que estão diretamente polarizados. A Figura 5 apresenta um Inversor Buck EIE de quatro níveis, derivado da combinação de oito conversores Buck EIE ou quatro inversores Buck EIE. Este arranjo é composto por 16 interruptores (M1 a M16), responsáiveis por carregar e/ou descarregar os indutores (L1 a L8) e capacitores (C1 a C8). O mecanismo de operação do conversor multinível Buck EIE também pode ser explicado através da descrição de apenas dois estágios distintos de operação. A principal razão para isto reside no fato de que os interruptores localizados na parte esquerda do conversor (S1 a S8) e aquelas localizados no lado direito do conversor (S9 a S16) são acionados de forma complementar, o que significa que, quando os interruptores S1 a S8 são ligados, os interruptores S9 a S16 devem ser desligadas, simultaneamente, e vice-versa. Fig. 5. Conversor Buck EIE em Quatro Níveis. Logo, baseado na afirmação acima e considerando-se que as fontes cc são independentes, os estágios de operação do circuito proposto podem ser ilustrados e explicados como se segue. A. Primeiro Estágio Aumento da Tensão de Saída Neste primeiro estágio de operação, os interruptores S1 a S8 são ativados, enquanto S9 a S16 desativados. Neste momento, a energia armazenada nos indutores L1 a L4 é transferida para os capacitores C1 a C4 e para a carga. Portanto, devido às tensões positivas V1 a V4 aplicadas, a tensão sobre os capacitores aumenta. Caso haja energia armazenada nos indutores L5 a L8 durante este estágio de operação, a mesma é transferida de volta às fontes de alimentação V5 a V6, respectivamente, através dos diodos D10 a D16. A Figura 6 mostra o circuito esquemático que representa este estágio de operação descrito. B. Segundo Estágio Decréscimo da Tensão de Saída No segundo estágio, os interruptores S1 a S8 são agora desativados e S9 a S16 ativados. Neste momento as fontes de alimentação V5 a V8 e os indutores L5 a L8 constituem fontes de corrente e fazem com que a tensão sobre os capacitores de saída C1 a C4 decaia. De forma análoga ao

4 primeiro estágio de operação, caso haja energia armazenada nos indutores L1 a L4 a mesma é transferida para as fontes de alimentação V1 a V4 através dos diodos D1 a D8. A figura 7 apresenta a circuito que representa este estágio de operação. Fig. 6. Primeiro estágio de operação. S5 e S7 à esquerda da carga e S10, S12, S14 e S16 à direita da carga) representa, no máximo, a soma do valor da fonte de alimentação com a queda de tensão sobre os diodos. Os demais interruptores (S2, S4, S6 e S8 à esquerda da carga e S9, S11, S13 e S15 à direita da carga) estão submetidos a um nível de estresse de tensão maior, que varia em função da característica da carga. Considerando-se o pior caso, por um curto período de tempo existirá corrente passando pelos indutores L1 a L4 (para o primeiro estágio de operação) ou L5 a L8 (para o segundo estágio de operação) enquanto a tensão na carga ainda apresentar valores positivos (para o primeiro estágio de operação) ou negativos (para o segundo estágio de operação). Isto significa que, durante este período de tempo, o estresse de tensão sobre o interruptor será representado pela soma da tensão da fonte de alimentação e a tensão de pico de saída multiplicada pelo ganho estático do conversor, como mostra a Equação (1). VS = Vdc + Vpeak G (1) Onde, Vs Valor do estresse de tensão sobre o interruptor Vdc - Valor de tensão da fonte de alimentação independente Vpeak Valor de pico da tensão de saída G ganho estático do conversor proposto IV. ESTRATÉGIA DE CONTROLE Uma das principais vantagens da topologia apresentada é a ocorrência de uma estratégia de controle relativamente simples, se comparada às demais estratégias aplicadas em conversores multiníveis, consistindo-se, basicamente, em uma comparação analógica. Uma amostra da tensão de saída é enviada à entrada inversora do comparador analógico enquanto a entrada não-inversora recebe o sinal de referencia, gerando pulsos discretos na saída do comparador, em função dos valores da comparação. Esta estratégia de controle pode ser ilustrada como mostra a Figura 8. Fig. 7. Segundo estágio de operação. C. Considerações Sobre o Estresse de Tensão nos Interruptores Para os dois estágios de operação, cada nível do conversor possui dois interruptores sendo acionados em um único intervalo, no entanto, o estresse de tensão sobre cada semicondutor é diferente. Considerando-se as fontes de alimentação independentes V1 a V8 como o referencial, o estresse de tensão sobre os primeiros interruptores (S1, S3, Fig. 8. Circuito Esquemático da Estratégia de Controle. A saída do comparador analógico é conectada a um gate driver. Este circuito é responsável por enviar pulsos de nível alto ao gatilho dos interruptores que se localizam na parte direita do conversor (S9 a S16) quando o sinal de realimentação for maior que o sinal de referência; e, então,

5 quando o sinal de referência for maior que o sinal de realimentação, o circuito gate driver será responsável por enviar pulsos em nível alto ao gatilho dos interruptores que se localizam na parte esquerda do conversor (S1 a S8). Neste ponto, é importante ressaltar que o circuito gate driver é também responsável por isolar os pulsos, uma vez que o potencial de referência de cada nível do conversor é distinto. A estratégia de controle é também responsável por determinar a amplitude da tensão de saída, uma vez que a seu valor está diretamente relacionado à amplitude do sinal de referência. O ganho estático máximo atingido por este conversor é em torno de 85% e, como mostrado na Equação (1), este valor interfere também diretamente nas especificações dos interruptores utilizados. É também função da estratégia de controle fornecer uma tensão de saída totalmente controlada, caracterizando a topologia proposta como sendo um conversor CC/CA seguidor de tensão. Fig. 9. Corrente e Tensão na Carga. V. RESULTADOS DE SIMULAÇÃO E EXPERIMENTAL Visando validar a operação do conversor proposto, desenvolveu-se uma análise computacional utilizando-se a plataforma PSPICE. Para isto, avaliou-se o comportamento do conversor baseando-se em suas formas de onda, em especial, tensão de saída do conversor e tensão sobre os interruptores. Os resultados obtidos, bem como uma breve avaliação do comportamento do conversor são apresentados a seguir. Como mostra a Figura 9, é possível afirmar que a tensão de saída é senoidal, com um período de 16.67ms, o equivalente a 60Hz. O pico da tensão de saída é cerca de 160V, o que implica em uma tensão rms de aproximadamente 115V. Uma tensão de saída de 160V também reforça a idéia do ganho estático do conversor em 85%. Nas figuras 10 e 11, as tensões dreno-source dos interruptores S1 e S2, respectivamente, são apresentadas. Analisando-se os gráficos é possível concluir que o maior nível de estresse de tensão sobre os interruptores na condição de carga linear é em torno do valor da fonte de alimentação cc, adicionado o valor das quedas de tensão nos diodos. Estes dados reafirmam a proposta deste trabalho, assegurando que os níveis de estresse de tensão sobre os interruptores estarão reduzidos, se comparados com os valores ocorridos nas topologias convencionais. Visando identificar o tempo de resposta dinâmica do conversor, a figura 12 apresenta os resultados de simulação, na qual se evidenciam tensão e corrente na carga. Em 25ms a carga do conversor foi alterada de 50% para 100%, considerando-se a carga nominal, para uma potência de 1kW, como referência. Em 45ms, as condições de operação se invertem, de forma que a carga passa a não mais operar em condições nominais, voltando à 50%. Nota-se que, para degraus de carga positivo e negativo o conversor apresenta uma rápida resposta dinâmica, qualificando ainda mais sua operacionalidade. Fig. 10. Tensão Dreno-Source (Interruptor S1). Fig. 11. Tensão Dreno-Source (Interruptor S2). Fig. 12. Reposta Dinâmica do Conversor Tensão de Saída (verde) e Corrente na Carga (vermelho). A fim de verificar experimentalmente a operação do conversor, um protótipo foi desenvolvido, em laboratório, um protótipo da topologia proposta. No presente momento foi construído o primeiro módulo do conversor, o que representa um inversor multinível Buck EIE de um único nível. A seguir são apresentados os resultados experimentais deste protótipo.

6 experimental da nova estrutura de inversor multinível apresentada. Fig. 13. Tensão na Carga (rosa) e Tensão de Referência (azul). VI. CONCLUSÃO Este artigo apresenta uma topologia de inversor multinível aplicando-se células de comutação EIE. O conversor proposto é caracterizado por trabalhar com imposição de tensão na carga através de uma estratégia de controle simples e eficiente. A topologia utilizada reduz os níveis de estresse de tensão sobre os interruptores e fornece uma tensão de saída com baixa distorção harmônica, independente da quantidade de níveis do conversor e sem a necessidade de se utilizar filtros passivos na saída do inversor. Os resultados de simulação reafirmam que o conversor proposto opera adequadamente, tornando-se uma boa alternativa para aplicações de potência em baixa, média e alta tensão. Um protótipo com um único nível foi desenvolvido e testado em laboratório, apresentando resultados satisfatórios que validam a operação do conversor. ACKNOWLEDGMENT Os autores gostariam de agradecer a CAPES, CNPQ e FAPEMIG pelo apoio financeiro a este projeto. Fig. 14. Tensão Dreno-Source (Interruptor S1). Fig. 15. Tensão Dreno-Source (Interruptor S2). Os resultados experimentais apresentados mostram a tensão de saída do inversor Buck EIE de um único nível, bem como a tensão nos interruptores presentes na topologia proposta. A tensão sobre os dispositivos interruptores foi analisada em um espectro de baixa freqüência. A partir dos dados coletados, é possível observar que os níveis dessas tensões se comportam na maior parte do tempo conforme esperado, mantendo-se com um valor máximo de duas vezes a tensão de entrada do conversor. No entanto, nota-se a presença de um pico de tensão nessas formas de onda. Esse surto é esperado em resultados experimentais e, para suavizá-los, serão projetados circuitos de snubber. Trabalhos futuros consistem no levantamento de novos resultados experimentais, referentes a um protótipo em quatro níveis, com potência nominal de 1kW para fins de avaliação REFERENCES [1] H. A. C. Braga, I. Barbi, Conversores Estáticos Multiníveis Uma Revisão, SBA Controle & Automação, vol. 11, no. 01, pp , Jan- Abr [2] L. Batschauer, M. L. Heldwein, S.A. Mussa and A.J. Perin, Hybrid Multilevel Converter Employing Half-Bridge Modules, Brazilian Power Electronics Conference, pp , Sep [3] K.Wang, Y. Li and Z. Zheng, A new transformerless cascaded multilevel converter topology, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition ECCE, pp , Sept [4] G. Waltrich, I. Barbi, Three-Phase Cascades Multilevel Inverter Using Power Cells with Two Inverter Legs in Series, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition ECCE, pp , Sept [5] J. Rodríguez, J.S. Lai and F.Z.Peng, Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications, IEEE Trans.Ind. Electronics vol. 49, no. 4, pp , Aug [6] G.J. Su, Multileve DC Link Inverter, IEEE/IAS Annual Metting, vol. 2, pp , Oct [7] A. A. Sneineh, M.Wang and K. Tian, A New Topology of Capacitor- Clamp Cascade Multilevel Converters, Power Electronics and Motion Control Conference IPEMC CES/IEEE, vol. 2, pp. 1-5, Aug [8] B. Hu, G. Xu, M. Zhang, J. Kang and L. Xia, Study on a Novel Clamped Topology of Multilevel Converters, Electric Machines and Drivers Conference IEMDC, pp , May [9] P. Panagis, F. Stergiopoulos, P. Marabeas and S. Manias, Comparison of the Art Multilevel Inverters, PESC 08, pp , Jun [10] C. A. Bissochi Jr, F. R. S. Vicenzi, V.J. Farias, J.B. Vieira Jr and L.C. de Freitas, A New Family of EIE Converters, COBEP 01, Florianópolis, SC, Brazil, CD-ROM, [11] L. C. G. Freitas, E. A. A. Coelho, J. B. Vieira Jr., V. J. Farias and L. C. Freitas, A New Proposal of Switched Power Oscillator Applied as a Self-oscillating Auxiliary Medium Open Loop Power Supply, IEEE PESC 03, vol. 2, pp , Jun